Fizycy z Wirginii Zachodniej ogłosili potencjalny przełom, który może pomóc w zniesieniu długotrwałego ograniczenia narzuconego przez pierwszą zasadę termodynamiki.

Odkrycie dotyczące sposobu przekształcania energii w plazmie w kosmosie zostało opisane w nowych badaniach opublikowanych w czasopiśmie Fizyczne listy przeglądowe, i może potencjalnie wymagać od naukowców ponownego przemyślenia sposobu podgrzewania plazmy zarówno w laboratorium, jak iw kosmosie.

Pierwsza zasada termodynamiki, będąca wyrazem zasady zachowania energii, choć stylizowana na procesy termodynamiczne, mówi, że całkowita energia w układzie pozostaje stała, ale można ją przekształcić z jednej formy energii w inną. Mówiąc prościej, idea ta jest powszechnie wyrażana jako „energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć”.

„Pierwsze prawo zostało użyte do opisania wielu rzeczy”, mówi Paul Cassak, profesor Teoretycznej i Obliczeniowej Fizyki Plazmy na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Zachodniej Wirginii. Cassak jest zastępcą dyrektora Center for KINETIC Plasma Physics, gdzie wraz z asystentem naukowym Hasanem Barbhuiya bada sposoby przekształcania energii w przegrzanej plazmie w kosmosie.

„Prawa termodynamiki zostały opracowane około 170 lat temu” – powiedział Cassak Odprawa„a ówczesna technologia narzucała, że ​​gazy lub płyny, które ludzie badaliby, znajdują się w równowadze przy gęstościach i temperaturach, których wtedy używali”.

Dobrym przykładem równowagi byłoby to, w jaki sposób poszczególne naczynia wypełnione wodą o różnych temperaturach w tym samym środowisku ostatecznie ostygną lub ogrzeją się, aż osiągną tę samą temperaturę. Jednak warunki, w których prawa termodynamiki zostały opracowane w tamtym czasie, dyktowały, że tak się stanie tylkopracują dla systemów w równowadze, a Cassak mówi, że próba zrewidowania istniejących teorii dotyczących termodynamiki nie była prostym zadaniem.

„Częścią, która była wyzwaniem, była praca teoretyczna, aby dowiedzieć się, jak rozszerzyć lub ulepszyć pierwotne prawa termodynamiki, gdy systemy nie są w równowadze” – powiedział Cassak Odprawa.

„Ludzie pracują nad rozszerzeniem praw termodynamiki dla układów nie będących w równowadze od ponad 100 lat” – mówi. „Większość tego, co ludzie wymyślili, to jak rozszerzyć prawa termodynamiki dla układów bliskich równowadze. Nawet to jest ogromnym krokiem naprzód i było przydatne w wielu dziedzinach nauki”.

W pewnych ustawieniach (jak w przypadku plazmy kosmicznej) systemy mogą być dalekie od równowagi, więc przybliżenia nie działają. Dlatego wyjaśnienie konwersji energii jest trudniejsze.

Jednak Cassak i Barbhuiya twierdzą, że opracowali sposób uogólnienia pierwszej zasady termodynamiki, co pozwala na zastosowanie jej do układów, które nie są w równowadze.

Według Cassaka, w grę wchodzą trzy główne punkty, z których pierwszy polega na tym, że w przypadku prostego, „doskonałego” gazu, cieczy lub plazmy w równowadze, jego właściwości można opisać za pomocą dwóch głównych wielkości: gęstości i temperatury.

„Pierwsza zasada termodynamiki opisuje zatem konwersję energii w procesie, który zmienia gęstość i/lub temperaturę” – powiedział Cassak. Odprawa.

„Drugą kluczową kwestią jest to, że w przypadku gazu, cieczy lub plazmy, które nie są w równowadze, ich właściwości nie mogą już być opisywane jedynie za pomocą gęstości i temperatury” – dodaje. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje prawie nieskończona liczba różnych wielkości, które są potrzebne do opisania substancji w takich warunkach.

„Więc wciąż mamy gęstość i temperaturę, ale także znacznie więcej ilości” – mówi Cassak.

Trzeci punkt dotyczy tego, w jaki sposób system, gdy nie jest w równowadze, jest nadal opisywany przez pierwszą zasadę termodynamiki. Cassak mówi, że „kiedy system nie jest w równowadze, pierwsza zasada termodynamiki nadal opisuje tylko przemianę energii, która zmienia gęstość i temperaturę”.

„Zdaliśmy sobie sprawę, że konwersja energii związana ze wszystkimi innymi wielkościami opisującymi gaz, ciecz, plazmę itp., Gdy nie jest w równowadze, nie jest uwzględniona w pierwszej zasadzie termodynamiki” – powiedział Cassak. Odprawa. Aby temu zaradzić, on i Barbhuiya „opracowali równanie, które określa ilościowo nie tylko konwersję energii, która zmienia gęstość i temperaturę, ale także wszystkie inne wielkości opisujące układ, gdy nie jest on w równowadze”.

Wcześniej najnowocześniejsze badania w tej dziedzinie mogły uwzględniać konwersję energii tylko w odniesieniu do rozszerzalności i ogrzewania. Jednak nowo uogólniona teoria zespołu oferuje teraz sposób na obliczenie całej energii wynikającej z braku równowagi.

Cassak scharakteryzował wyniki zespołu jako „naprawdę duży krok w naszym rozumieniu”, a ich odkrycia mają również kilka obiecujących zastosowań, w tym umożliwienie naukowcom badającym plazmy w kosmosie lepszego zrozumienia ich dynamiki. Mianowicie, mogłoby to poprawić naszą wiedzę na temat kosmicznych zjawisk pogodowych, takich jak masowe wyrzuty koronalne ze Słońca, które uwalniają duże pióropusze przegrzanej plazmy, zdolne do zakłócania systemów komunikacyjnych i innych technologii na Ziemi.

„Ponieważ pierwsza zasada termodynamiki jest tak szeroko stosowana, mamy nadzieję, że naukowcy z wielu dziedzin będą mogli wykorzystać nasze wyniki” – dodał Barbhuiya w oświadczeniu.

Duncan Lorimer, profesor astronomii na West Virginia University, najbardziej znany z tego, że jako pierwszy odkrył szybki rozbłysk radiowy w 2007 roku, pochwalił pracę Cassaka i Barbhuiyi.

„Wzięcie jednego z tych praw, które istnieje od ponad 150 lat i ulepszenie go, jest dużym osiągnięciem” – powiedział Lorimer w oświadczeniu.

Artykuł „Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas” autorstwa Cassak, Barbhuiya i in. Listy z przeglądu fizycznego 22 lutego 2022 r.

Micah Hanks jest redaktorem naczelnym i współzałożycielem The Debrief. Można się z nim skontaktować pod adresem e-mail micah@thedebrief.org. Śledź jego pracę o godz micahhanks.com oraz na Twitterze: @MicahHanks.